Ανάπτυξη μεθοδολογίας αναίρεσης της ευαισθητοποίησης συγκολλημένων ναυπηγικών ελασμάτων αλουμινίου σειράς 5xxx

Abstract

The sensitization behavior of marine grade Al–Mg alloy (AA 5xxx series) high-speed vessels was systematically investigated through a comprehensive suite of advanced analytical and characterization techniques. Current research exclusively examined field retrieved samples of a special marine grade AA 5xxx alloy and conventional AA 5086, following prolonged operational exposure exceeding twenty (20) years. A key feature of the present work is the incorporation of real environmental and operational variables that govern sensitization kinetics in ship structures, enabling assessment of their relative influence. The results demonstrate that sensitization progression is strongly dependent on each vessel’s operational and maintenance history, resulting in distinct evolution pathways even among vessels of the same class. Transformation kinetics of Mg rich phases were found to be highly sensitive to local environmental conditions, with specimens exhibiting comparable degrees of sensitization displaying markedly different microstructural morphologies. These findings highlight the necessity of an integrated evaluation framework that combines environmental exposure, operational history, and microstructural analysis to more accurately predict sensitization behavior in marine Al–Mg alloys. Building on this understanding, the study focuses on the development of an in situ sensitization remediation heat-treatment strategy for Al–Mg alloy structural components retrieved from operating vessels, with particular emphasis on the influence of initial microstructure, starting state, and service history on desensitization kinetics. The experimental results confirmed that initial microstructure, initial strain state, and operational history critically govern the response to remediation treatments. Metallographic analysis revealed disruption and coarsening of the intergranular β phase network with minimal grain growth, consistent with diffusion controlled transformation mechanisms. Notably, a discontinuous precipitation reaction was observed in an intermediately sensitized specimen remediated to a DoS of 21 mg/cm², representing the first reported observation of this phenomenon in the Al–Mg alloy system. Finally, it is emphasized that large structural components extracted from in service vessels require substantially longer treatment durations than laboratory scale specimens, underscoring the necessity for vessel specific, tailored remediation protocols based on individual structural characteristics and service histories.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερευνήθηκε το φαινόμενο της εκδήλωσης ευαισθητοποίησης σε ναυπηγικά κράματα Al–Mg (σειρά AA 5xxx), που απαρτίζουν δομικά μέρη ταχυπλόων πλοίων, υλοποιώντας μια συνδυαστική προσέγγιση εξέτασης των εξωτερικών συνθηκών και της υφιστάμενης κατάστασης των δομικών ελασμάτων. Στην παρούσα έρευνα εξετάσθηκαν αποκλειστικά δοκίμια που ανακτήθηκαν από εν ενεργεία πλοία, τα οποία αποτελούνται από ένα ειδικό ναυπηγικό κράμα Al-Mg με προσαυξημένη περιεκτικότητα σε Mg και από το συμβατικό κράμα AA 5086, μετά από παρατεταμένη επιχειρησιακή έκθεση διάρκειας άνω των είκοσι (20) ετών. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της παρούσας μελέτης αποτελεί η ενσωμάτωση πραγματικών περιβαλλοντικών και λειτουργικών παραμέτρων που επηρεάζουν την κινητική της ευαισθητοποίησης σε ένα πλοίο, αποσκοπώντας στην αξιολόγηση της επίδρασης τους στην εξέλιξη του φαινομένου. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι ο ρυθμός εξέλιξης της ευαισθητοποίησης εξαρτάται από το ιστορικό επιχειρησιακής λειτουργίας και συντήρησης κάθε πλοίου, επιφέροντας διαφορετική κατάσταση ευαισθητοποίησης στα αντίστοιχα δομικά μέρη μεταξύ των πλοίων της ίδιας κλάσης. Η κινητική μετασχηματισμού της β φάσης φάσεων αποδείχθηκε ιδιαίτερα ευαίσθητη στις τοπικές περιβαλλοντικές συνθήκες, με δοκίμια που παρουσίαζαν παρόμοιο βαθμό ευαισθητοποίησης να εμφανίζουν σημαντικά διαφορετικές μικροδομικά χαρακτηριστικά. Τα ανωτέρω ευρήματα ανέδειξαν την ανάγκη για την συγκρότηση ενός ολοκληρωμένου πλαισίου εξέτασης της κατάστασης των ελασμάτων που να συνδυάζει τις περιβαλλοντικές συνθήκες, το επιχειρησιακό ιστορικό και τη μικροδομική ανάλυση, προκειμένου να επιτευχθεί ακριβέστερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς ευαισθητοποίησης. Η παρούσα εργασία επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη μιας in situ θερμικής κατεργασίας αποκατάστασης της ευαισθητοποίησης για ένα δομικό κράμα Al–Mg, επιδίδοντας ιδιαίτερη έμφαση στην επίδραση της αρχικής μικροδομής, της αρχικής κατάστασης παραμόρφωσης και του ιστορικού λειτουργίας και συντήρησης στην κινητική της απευαισθητοποίησης. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι η αρχική κατάσταση της μικροδομής, η αρχική κατάσταση παραμόρφωσης και το ιστορικό λειτουργίας / συντήρησης επηρεάζουν καθοριστικά την απόκριση των υλικών στις θερμικές κατεργασίες αποκατάστασης. Η ανάλυση της μικροδομής μετά το πέρας της θερμικής κατεργασίας αποκάλυψε την ασυνέχεια του περικρυσταλλικού δικτύου της φάσης β, με ελάχιστη αύξηση του μεγέθους κόκκων, γεγονός που συνάδει με μηχανισμούς μετασχηματισμού ελεγχόμενους από διάχυση. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι, παρατηρήθηκε αντίδραση ασυνεχούς κατακρήμνισης discontinuous precipitation σε δοκίμιο με ενδιάμεση αρχική κατάσταση ευαισθητοποίησης, που αποκαταστάθηκε σε βαθμό ευαισθητοποίησης 21 mg/cm², γεγονός που αποτελεί την πρώτη αναφερόμενη παρατήρηση του φαινομένου αυτού στο σύστημα κραμάτων Al–Mg. Τέλος, επισημαίνεται ότι η αποτελεσματική αποκατάσταση της ευαισθητοποίησης προϋποθέτει εξατομικευμένα πρωτόκολλα κατεργασίας, προσαρμοσμένα στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε πλοίου και στην αρχική κατάσταση του εκάστοτε δομικού στοιχείου.